PCB分層堆疊在控制EMI輻射中的作用和設(shè)計(jì)技巧

解決EMI問(wèn)題的方法有很多種。現(xiàn)代EMI抑制方法包括：EMI抑制涂層，選擇合適的EMI抑制組件和EMI仿真設(shè)計(jì)。本文從最基本的PCB布局開(kāi)始，討論了PCB分層堆疊在控制EMI輻射中的作用和設(shè)計(jì)技巧。

電源總線

在IC的電源引腳附近正確放置一個(gè)適當(dāng)容量的電容可以使IC的輸出電壓跳得更快。但問(wèn)題不在這里。由于電容器的有限頻率響應(yīng)，這使得電容器不可能產(chǎn)生在整個(gè)頻帶上干凈地驅(qū)動(dòng)IC輸出所需的諧波功率。此外，電源母線上產(chǎn)生的瞬態(tài)電壓會(huì)在去耦路徑的電感上產(chǎn)生電壓降，這是共模EMI干擾的主要來(lái)源。我們應(yīng)該如何解決這些問(wèn)題？

就我們電路板上的IC而言，IC周?chē)碾娫磳涌梢员徽J(rèn)為是一種優(yōu)秀的高頻電容器，收集由分立電容器泄漏的能量，為清潔輸出提供高頻能量。此外，優(yōu)秀的電源層具有較小的電感，因此電感合成的瞬態(tài)信號(hào)也是。

當(dāng)然，連接從電源平面到IC電源引腳必須盡可能短，因?yàn)?a target="_blank">數(shù)字信號(hào)的上升沿越來(lái)越快，最好是直接連接到IC電源引腳所在的焊盤(pán)，如進(jìn)一步討論的那樣。

為了控制共模EMI，電源層必須去耦并且電感足夠低。該電源平面必須是精心設(shè)計(jì)的一對(duì)電源平面。有人可能會(huì)問(wèn)，這到底有多好？該問(wèn)題的答案取決于電源的分層，層之間的材料和工作頻率（即IC的上升時(shí)間的函數(shù)）。通常，電源分層為6密耳，中間層為FR4，每平方英寸功率平面的等效電容約為75pF。顯然，層間距越小，電容越大。

沒(méi)有多少器件的上升時(shí)間為100到300 ps，但根據(jù)目前的發(fā)展情況IC的速度，上升時(shí)間為100至300 ps的器件將占據(jù)很高的比例。對(duì)于上升時(shí)間為100至300 ps的電路，3 mil層間距將不再適用于大多數(shù)應(yīng)用。此時(shí)，必須使用層間距小于1密耳的分層技術(shù)，并用具有高介電常數(shù)的材料代替FR4介電材料。陶瓷和陶瓷現(xiàn)在滿足100至300 ps上升時(shí)間電路的設(shè)計(jì)要求。

雖然將來(lái)可能會(huì)使用新的材料和方法，但對(duì)于今天普通的1到3 ns上升時(shí)間電路，3到6 mil層間距和FR4電介質(zhì)材料，通常就足夠了高端諧波并使瞬態(tài)信號(hào)足夠低，也就是說(shuō)共模EMI可以降低到很低。此處介紹的PCB分層堆棧設(shè)計(jì)示例假設(shè)層間距為3到6密耳。

電磁屏蔽

來(lái)自從信號(hào)路由的角度來(lái)看，一個(gè)好的分層策略應(yīng)該是將所有信號(hào)走線放在一個(gè)或多個(gè)層中，這些層靠近電源或地平面。對(duì)于電源，良好的分層策略應(yīng)該是電源平面與地平面相鄰，并且電源平面和地平面之間的距離盡可能小。這就是我們所說(shuō)的“分層”策略。

PCB堆疊

什么樣的堆疊策略有助于屏蔽和抑制EMI？以下分層堆疊方案假設(shè)供電電流在單層上流動(dòng)，其中單個(gè)或多個(gè)電壓分布在同一層的不同部分上。多個(gè)電源層的情況將在后面討論。

4層電路板

4層電路板設(shè)計(jì)存在一些潛在問(wèn)題。首先，傳統(tǒng)的四層板厚度為62密耳，即使信號(hào)層在外層，電源和接地層也在內(nèi)層，電源層之間的距離。

如果成本要求是第一位的，請(qǐng)考慮以下兩種傳統(tǒng)4層板的替代方案。這兩種解決方案都可以提高EMI抑制性能，但僅適用于板載元件密度足夠低并且元件周?chē)凶銐蛎娣e以在電源上放置所需銅層的應(yīng)用。

第一種是首選解決方案。 PCB的外層都是層，中間的兩層是信號(hào)/功率層。信號(hào)層上的電源以寬線布線，這允許電源電流的路徑阻抗低并且信號(hào)微帶路徑的阻抗低。從EMI控制的角度來(lái)看，這是最好的4層PCB結(jié)構(gòu)。第二種方案的外層采用電源和地面，中間兩層采用信號(hào)。與傳統(tǒng)的4層板相比，改進(jìn)更小，層間電阻與傳統(tǒng)的4層板一樣差。

如果要控制跡線阻抗，上述堆疊方案必須非常小心地將跡線放置在電源和接地銅島之下。此外，地面上的銅島或銅島應(yīng)盡可能互連，以確保直流和低頻連接。

6層板

如果4層板上的組件密度相對(duì)較大，則最好使用6層板。然而，6層板設(shè)計(jì)中的一些堆疊方案對(duì)電磁場(chǎng)沒(méi)有良好的屏蔽效果，并且對(duì)電源總線瞬態(tài)信號(hào)的減少幾乎沒(méi)有影響。下面討論兩個(gè)例子。

在第一種情況下，電源和接地分別放在第2層和第5層。由于電源的銅電阻高，因此控制共模EMI輻射非常不利。但是，從信號(hào)阻抗控制的角度來(lái)看，這種方法非常正確。

在第二個(gè)例子中，電源和接地分別放在第3層和第4層。該設(shè)計(jì)解決了電源的銅包層阻抗問(wèn)題。由于第一層和第六層的電磁屏蔽性能差，差模EMI增加。如果兩個(gè)外層上的信號(hào)線數(shù)量最少且跡線長(zhǎng)度短（小于信號(hào)的最高諧波波長(zhǎng)的1/20），則該設(shè)計(jì)解決了差模EMI問(wèn)題。通過(guò)銅填充外層上的無(wú)組件和無(wú)痕跡區(qū)域并使銅包覆區(qū)域接地（每1/20波長(zhǎng)間隔），可以抑制差模EMI。如前所述，銅區(qū)域在多個(gè)點(diǎn)連接到內(nèi)部接地層。

通用高性能6層電路板設(shè)計(jì)通常是第一個(gè)和第六個(gè)層作為接地層，第三層和第四層接受電源和接地。由于在電源層和接地層之間存在兩層居中的雙微帶信號(hào)線層，因此EMI抑制能力非常好。這種設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是跡線層只有兩層。如前所述，如果外部跡線較短并且銅線鋪設(shè)在無(wú)襯里區(qū)域，則可以使用傳統(tǒng)的6層板實(shí)現(xiàn)相同的堆疊。

另外6-層板布局是信號(hào)，地，信號(hào)，電源，地和信號(hào)，這使得高級(jí)信號(hào)完整性設(shè)計(jì)所需的環(huán)境成為可能。信號(hào)層與接地層相鄰，電源層和接地層配對(duì)。顯然，缺點(diǎn)是層的堆疊是不平衡的。

這通常會(huì)導(dǎo)致制造上的麻煩。該問(wèn)題的解決方案是用銅填充第三層的所有空白區(qū)域。如果在填充銅之后第三層的銅層密度接近電源層或接地層，則該板可以被視為結(jié)構(gòu)上平衡的電路板。 。銅填充區(qū)域必須連接到電源或地。連接過(guò)孔之間的距離仍為1/20波長(zhǎng)，無(wú)需連接到任何地方，但理想情況下應(yīng)連接。

10層板

由于多層板之間的絕緣隔離層非常薄，因此10層或12層電路板層與層之間的阻抗非常低，并且預(yù)期信號(hào)完整性也很好因?yàn)榉謱雍投询B沒(méi)有問(wèn)題。很難加工厚度為62密耳的12層板，并且沒(méi)有多少制造商

由于信號(hào)層和環(huán)層總是被絕緣層隔開(kāi)，因此在10層板設(shè)計(jì)中分布中間6層以走信號(hào)線的方案不是最佳的。此外，使信號(hào)層與環(huán)路層相鄰非常重要，也就是說(shuō)，電路板布局是信號(hào)，地，信號(hào)，信號(hào)，電源，地，信號(hào)，信號(hào)，地和信號(hào)。

這種設(shè)計(jì)為信號(hào)電流及其回路電流提供了良好的路徑。適當(dāng)?shù)穆酚刹呗允堑谝粚友豖方向布線，第三層沿Y方向布線，第四層沿X方向布線，依此類(lèi)推。直觀地觀察跡線，第一層1和第三層是一對(duì)分層組合，第四層和第七層是一對(duì)分層組合，第八層和第十層是最后一對(duì)分層組合。當(dāng)需要改變跡線的方向時(shí)，第一層上的信號(hào)線應(yīng)該通過(guò)“通孔”改變到第三層。事實(shí)上，你可能并不總能做到這一點(diǎn)，但作為一個(gè)設(shè)計(jì)概念，你應(yīng)該嘗試遵守。

同樣，當(dāng)信號(hào)的方向改變時(shí)，它應(yīng)該是從第8層和第10層或從第4層到第7層的過(guò)孔。這種路由確保了前向路徑和信號(hào)環(huán)路之間的耦合最緊密。例如，如果信號(hào)在第一層上路由并且環(huán)路在第二層上并且僅在第二層上，則第一層上的信號(hào)甚至通過(guò)“通孔”傳輸?shù)降谌龑印－h(huán)路仍在第二層，因此保持低電感，大電容特性和良好的電磁屏蔽性能。

如果實(shí)際路線不是這樣的情況怎么辦？例如，第一層上的信號(hào)線穿過(guò)通孔到達(dá)第10層。此時(shí)，環(huán)路信號(hào)必須從第9層找到地平面，并且環(huán)路電流需要找到最近的地線（例如電阻器或電容器等元件的接地引腳）。 。如果附近有這樣的通道，那真的很幸運(yùn)。如果沒(méi)有這樣的通孔，電感將增加，電容將減小，EMI將增加。

當(dāng)信號(hào)線必須離開(kāi)當(dāng)前的一對(duì)布線層時(shí)通過(guò)連接到其他布線層，接地通孔應(yīng)放置在通孔附近，這樣環(huán)路信號(hào)可以平滑地返回到正確的接地層。對(duì)于層4和層7的組合，信號(hào)環(huán)將從電源或接地平面（即，層5或?qū)?）返回，因?yàn)殡娫雌矫婧徒拥仄矫嬷g的電容耦合良好并且信號(hào)容易傳輸。

多功率層設(shè)計(jì)

如果同一電壓源的兩個(gè)電源層需要輸出大電流，電路板應(yīng)分為兩組電源和地平面。在這種情況下，在每對(duì)電源層和接地層之間放置絕緣層。這給了我們兩對(duì)相等的電源母線，我們想要分流電流。如果電源層堆疊導(dǎo)致阻抗不等，則分流不均勻，瞬態(tài)電壓會(huì)大得多，EMI會(huì)急劇增加。

如果電路板上有多個(gè)具有不同值的電源電壓，則需要相應(yīng)的多個(gè)電源層。重要的是要記住為不同的電源創(chuàng)建單獨(dú)的電源和接地層對(duì)。在這兩種情況下，在確定電路板上成對(duì)電源和接地層的位置時(shí)，請(qǐng)記住制造商對(duì)平衡結(jié)構(gòu)的要求。

總結(jié)

鑒于大多數(shù)工程師設(shè)計(jì)的厚度為62密耳且沒(méi)有盲孔或埋孔的電路板，對(duì)電路板分層和堆疊的討論是有限的。對(duì)于厚度差異太大的電路板，本文推薦的分層方案可能并不理想。另外，帶盲孔或埋孔的電路板的加工方法不同，本文的分層方法不適用。

厚度，通過(guò)工藝，電路板設(shè)計(jì)中的層數(shù)不是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。出色的分層堆疊確保了電源總線的旁路和去耦，并最大限度地降低了電源或地平面上的瞬態(tài)電壓。屏蔽信號(hào)和電源電磁場(chǎng)的關(guān)鍵。理想情況下，信號(hào)走線層與其返回接地層之間應(yīng)存在絕緣隔離，匹配層間距（或多于一對(duì)）應(yīng)盡可能小?；谶@些基本概念和原理，可以設(shè)計(jì)始終滿足設(shè)計(jì)要求的電路板?，F(xiàn)在，IC的上升時(shí)間已經(jīng)很短并且會(huì)更短，本文中討論的技術(shù)對(duì)于解決EMI屏蔽問(wèn)題至關(guān)重要。